Конструкции датчиков импульсов и принципы формирования управляющих сигналов

Для подачи сигнала на образование искры в нужный момент времени необходим какой-либо датчик положения коленчатого вала. Контактный прерыватель является частным случаем такого датчика, однако датчик может быть и бесконтактным.

Бесконтактный датчик имеет следующие преимущества перед контактным:

• уменьшается износ, люфты и биения;

• повышается точность;

• опережением можно управлять с помощью электронных устройств, имеющих более высокую точность и широкие возможности по сравнению с механическими регуляторами;

• снижение энергии искры с ростом частоты вращения вала двигателя может быть предотвращено электронным регулированием угла замкнутого состояния.

Датчик, запускающий разряд свечи, часто называют генератором импульсов или генератором сигналов.

Генераторы импульсов бывают трех типов: оптические, генераторы Холла, индукционные. На рис. 1 показано прохождение импульсного сигнала от генератора до свечи.

Оптический генератор импульсов. Сегментированный диск, закрепленный на валу распределителя, перекрывает инфракрасный луч, направленный на фототранзистор (рис. 2). В течение промежутка времени, пока фототранзистор освещен, через первичную обмотку катушки идет ток.

Когда диск перекрывает луч, датчик посылает в блок управления импульс, который прерывает ток в катушке и таким образом генерирует искру. Источником инфракрасного излучения служит полупроводниковый диод из арсенида галлия.

Существует несколько разновидностей такого рода устройств: запуск искры может происходить при открытии или наоборот закрытии светового источника, в качестве источника света может использоваться обычный светодиод.

На рис. 3 показана конструктивная схема системы зажигания с оптическим генератором импульсов, который может быть установлен в серийном распределителе зажигания.

Обычно такие генераторы задают постоянный угол включенного состояния катушки, но качество зажигания от этого не страдает, поскольку на него не оказывает влияние динамика подвижного контакта и этот угол остается всегда постоянным независимо от скорости.

Рис. 3. Система зажигания с оптическим генератором:

1. Выключатель зажигания. 2. Балластный резистор. 3. Катушка зажигания. 4. Провод высокого напряжения. 5. Электронный блок. 6. Оптический генератор

Генератор Холла.Устройство содержит пластинку кремния, через две грани которой пропускается небольшой (около 30 мА) токА(рис. 4).

Если пластинку поместить в магнитное поле, то на двух других гранях пластинки появится напряжение V около 2 мВ, увеличиваясь с ростом температуры. В этом и состоит эффект Холла. Пластинка обычно составляет одно целое с интегральной схемой, осуществляющей усиление и формирование сигнала.

Изменение магнитного поля вызовет изменение напряжения Холла, которое можно использовать для управления разрядом свечи. На рис. 5 показано устройство генератора импульсов, основанное на эффекте Холла. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, прерывается лопастями обтюратора, вращающегося на валу распределителя зажигания.

При открытом зазоре между постоянным магнитом и датчиком Холла пластинка выдает напряжение. Если зазор перекрывается лопастью обтюратора, магнитное поле замыкается через лопасть и не попадает на пластинку Холла. Напряжение при этом падает (рис. 6).

Сигнал с граней пластинки попадает в усилитель и формирователь импульсов, после чего он может управлять включением и выключением катушки. Основанный на эффекте Холла генератор фирмы Bosch имеет соотношение лопасть/окно 70:30, т.е. постоянный угол замкнутого состояния. Однако на катушке этот угол может изменяться путем электронного регулирования ширины импульсов.

При высоком уровне напряжения Холла первичная обмотка катушки отключена и свеча дает разряд, т.е. разряд свечи происходит в момент, когда лопасть обтюратора выходит из зазора.

Генератор Холла имеет высокую надежность и в отличие от оптического генератора не столь чувствителен к загрязнению.

Индукционный датчик. Если катушка находится в переменном магнитном поле, то в катушке индуцируется напряжение. Напряжение индукции зависит от скорости изменения магнитного поля, числа витков катушки, знака изменения магнитного поля (нарастание или убывание). Этот принцип также можно использовать для управления моментом зажигания.

На рис. 7 схематично показан датчик индукционного типа. Датчик включает в себя постоянный электромагнит с обмоткой и зубчатый диск. При вращении диска магнитное поле замыкается либо через зуб, либо через впадину. Магнитный поток, проходящий через обмотку, индуцирует в ней ЭДС переменного знака. Сигналы датчика проходят через формирователь импульсов и далее поступают на управление первичной обмоткой катушки зажигания.

При увеличении частоты вращения выходное напряжение датчика будет меняться по двум параметрам:

1. возрастет частота импульсов;

2. напряжение вырастет с долей вольта до сотни вольт.

Система может работать во всем указанном диапазоне параметров. Конструкция распределителя зажигания представлена на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид (сверху со снятой крышкой) на распределитель зажигания Lucasс индукционным генератором:

1. Катушка.

2. Статор.

3. Датчик

4. Зубчатое колесо

Bosch и завод АТЭ (г. Старый Оскол) реализуют тот же принцип в иной конструкции (рис. 9).

Плоская круглая неподвижная пластина снабжена четырьмя полюсными наконечниками (в случае четырехцилиндрового двигателя), магнитное поле которых поддерживается мощным постоянным магнитом. На валу распределителя зажигания закреплен стальной диск с четырьмя выступами, которые проходят на расстоянии 0,5 мм от полюсов. Под вращающимся диском соосно с валом установлена катушка датчика. При вращении диска его выступы проходят рядом с полюсами и резко меняют магнитный поток через обмотку, в результате чего в ней генерируются импульсы. Преимуществом такой конструкции является симметричное расположение катушки и магнитного поля.

В некоторых конструкциях датчик может быть установлен в зоне маховика, при этом выступы, замыкающие магнитное поле, закреплены на маховике болтами.

Частотные системы управления моментом зажигания.

Отсутствие жесткой механической связи между датчиком и коммутатором позволяет сформировать управляющий сигнал таким образом, чтобы срабатывание выходного каскада, а, следовательно, и искрообразование происходило в соответствии с требуемой характеристикой изменения угла опережения зажигания. Для этой цели применяются различные фазосдвигающие цепочки, конструктивные решения и формы магнитной системы электромагнитных датчиков (ЭМД).

Формы магнитной системы определяются формой сигнала, который используется в дальнейшем для управления транзисторным коммутатором. Наибольшее распространение получили пилообразные, выпуклые и вогнутые формы сигналов (рис. 10).

Для частотных систем управления моментом зажигания предпочтительными следует считать выгнутые формы сигналов датчиков и пилообразные, так как они позволяют более точно реализовать требуемую характеристику угла опережения зажигания.

Простейшая схема опережения зажигания представлена на рис. 11.

В работе электронной системы опережения зажигания большое значение имеет правильная форма сигнала датчика, обеспечить которую довольно сложно. Преодолеть эту трудность можно различными способами.

На рис. 12 представлена схема, в которой между датчиком и пороговым устройством (транзисторным коммутатором) включен электронный блок, в котором происходит коррекция сигнала датчика. По такой схеме построен узел электронного опережения зажигания, защищенный патентом И.М. Опарина и др. в 1995 г.

В существующих индуктивных датчиках сигнал приблизительно симметричен относительно максимума, поэтому рабочий участок может занимать только одну четвертую часть периода сигнала датчика. Это соответствует 12° поворота коленчатого вала для четырехцилиндровых двигателей или 22,5° для восьмицилиндровых двигателей. Следовательно, необходимый угол опережения зажигания (около 20°) в таких системах с выпускаемыми индуктивными датчиками можно получить только для четырехцилиндровых двигателей. Для восьмицилиндровых двигателей необходима новая конструкция датчика, которая позволила бы получить длительность положительного фронта более одной четверти периода и, следовательно, получить требуемый угол опережения зажигания.

Нагрузочные системы управления моментом зажигания.

Нагрузочные автоматы реализуют, как правило, линейные характеристики. Автомат, изображенный на рис. 13, содержит электромагнитный датчик, статор которого с сигнальной обмоткой 9 закреплен на корпусе, а ротор 8 датчика - на распределительном валу двигателя внутреннего сгорания, электронное устройство зажигания 5, конденсатор 2, резистор 4, диод 3, нелинейную зарядно-разрядную цепь 1, механический датчик 6 разряжения и потенциометр 7, включенный одним выводом к сигнальной обмотке 9, а вторым - к точке соединения конденсатора, диода и нелинейной зарядно-разрядной цепи.

Автомат работает следующим образом. С началом вращения ротора 8 сигнал с обмотки 9 через конденсатор 2, диод 3 и резистор 4 поступает на вход электронного устройства 5 и потенциометра 7. При этом за счет входного тока конденсатор 2 заряжается, а за счет электронного устройства 5 на свечах двигателя внутреннего сгорания происходит искрообразование.

При дальнейшем росте частоты вращения ротора 8 сигналы положительной и отрицательной полярностей на сигнальной обмотке 9 растут и достигают предельных напряжений включения нелинейной зарядно-разрядной цепи 1, что вызывает уменьшение напряжения на конденсаторе 2 и более раннее срабатывание электронного устройства 5, что приводит к смещению момента зажигания в сторону опережения.

С изменением нагрузки на двигатель изменяется разрежение в его впускном трубопроводе, что приводит к изменению давления в полости Амеханического датчика разряжения 6. Механический датчик разряжения воздействует на потенциометр 7 и изменяет его сопротивление, изменяя тем самым постоянную времени заряда и разряда конденсатора 2, что приводит к изменению фазы и момента срабатывания электронного устройства зажигания 5 в зависимости от нагрузки на двигатель. То есть, устройство изменяет угол опережения зажигания одновременно в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель, что повышает точность регулирования.

Цифровые системы управления моментом зажигания.

Структура такой схемы изображена на рис. 14. Система состоит из датчика 1 положения коленчатого вала, компаратора 2, схемы формирования импульсов 3, генератора импульсов 4, логической схемы «И ‑ НЕ» 5, счетчика 6, запоминающего устройства 7, цифроаналогового преобразователя 8, управляемого ждущего мультивибратора 9 и электронного коммутатора 10.

Выход датчика положения коленчатого вала связан с входом компаратора, а выход компаратора подключен к входу управляемого ждущего мультивибратора и к входу схемы формирования импульсов, первый выход которой связан с первым входом схемы «И - НЕ», второй - с входом записи запоминающего устройства, третий – с входом сброса счетчика. Выход генератора импульсов связан со вторым входом схемы «И ‑ НЕ», а ее выход - со счетным входом счетчика.

Выходы счетчика соединены с входом запоминающего устройства, а его выходы, в свою очередь, с цифроаналоговым преобразователем. Выход последнего связан с входом управления управляемого мультивибратора, а его выход соединен с входом электронного устройства зажигания.

Устройство управления моментом зажигания работает следующим образом. Импульсы от датчика положения коленчатого вала поступают на компаратор, который формирует из них последовательность прямоугольных импульсов, амплитуда которых не зависит от частоты вращения коленчатого вала.

На рис. 15 показаны временные диаграммы напряжения на элементах системы.

На рис. 15апоказана временная зависимость напряжения электромагнитного датчика бесконтактной системы зажигания, на рис. 15б- выходное напряжение компаратора. Переключение компаратора происходит в моменты перехода напряжения электромагнитного датчика через ноль.

На рис. 15впоказан импульс управляемого ждущего мультивибратора, задний фронт которого определяет момент зажигания. Запуск управляемого ждущего мультивибратора осуществляется передним фронтом импульса компаратора. Этот же фронт импульса компаратора запускает схему формирования импульсов.

На рис. 15г,д,епоказаны импульсы на первом, втором и третьем выходах схемы соответственно. Импульс со второго выхода схемы формирования импульсов записывает информацию в память запоминающего устройства с выхода счетчика, а следующий за ним импульс сброса с третьего выхода схемы формирования импульсов обнуляет счетчик. Выходной сигнал генератора импульсов показан на рис. 15ж.

Состояние счетчика в момент поступления импульса записи определится количеством импульсов с генератора импульсов, прошедших через схему «И - НЕ» на счетный вход счетчика за интервал времени (t₁-t₂).

Число этих импульсов прямо пропорционально периоду сигнала, поступающего с датчика положения коленчатого вала, а, следовательно, обратно пропорционально частоте вращения коленчатого вала ДВС.

Интервал времени (t₁-t₂) соответствует временному интервалу между моментом поступления импульса «сброс» (т.е. моментом обнуления счетчика) и моментом поступления импульса «запись», который приходит в момент перехода напряжения электромагнитного датчика через ноль. После поступления на счетчик импульса сброса с третьего выхода схемы формирования импульсов счетчик опять обнуляется, и в следующий интервал отсчета (t₁-t₂) происходит накопление информации о частоте вращения коленчатого вала ДВС.

Код с выхода запоминающего устройства, изменяющийся после каждого периода колебаний, поступающих с датчика положения коленчатого вала, воздействует на входы цифроаналогового преобразователя (ЦАП), вызывая изменение его выходного сигнала, который, в свою очередь, регулирует время импульса, генерируемого управляемым ждущим мультивибратором. Задний фронт импульса мультивибратора определяет момент зажигания.

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие электронных систем зажигания от контактных и контактно-транзисторных, и какие недостатки последних они устраняют?

2. В чем преимущество дискретных систем управления моментом зажигания перед аналоговыми?

3. Чем отличаются адаптивные системы управления моментом зажигания от экстремальных?

4. В чем преимущество бесконтактных датчиков положения коленчатого вала по сравнению с контактными?

5. Опишите работу оптического генератора импульсов.

6. Что такое «эффект Холла», как он используется в датчике положения коленчатого вала и в чем его преимущество по сравнению с оптическим генератором?

7. В чем состоит принцип работы индукционного датчика положения и как он устроен?

8. Зачем корректируют форму сигналов датчиков в частотных системах управления моментом зажигания?

9. Как работает нагрузочный автомат угла опережения зажигания и какую функцию он выполняет?

10. Опишите структурную схему дискретной системы управления моментом зажигания.